恒压变流量供油注塑机液压系统的研究.pdf

2 0 1 5年 2月 第 4 3卷 第 4期 机床与液压 MACHI NE T0OL HYDRAUL I C S F e b ． 2 01 5 Vo 1 ． 43 No ． 4 DOI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j i s s n 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 5 0 4 0 3 5 恒压变流量供油注塑机液压 系统的研究 廖辉 ，王青林 ，黄崇林 1 ．广 东石油化工学院，广东茂名 5 2 5 0 0 0 ；2 ．商丘技师学院，河南商丘 4 7 6 0 0 0 摘要低能耗是注塑机液压系统的一个发展趋势 ， 而 目前注塑机液压系统采用的定量泵供油导致系统能耗非常大。介 绍了注塑机的定量泵供油与恒压力变流量液压泵供油系统的工作原理，并建立恒压力变流量液压泵供油系统的仿真模型， 分析其能量消耗的过程，实现注塑机低能耗工作。 关键词 恒压力变流量泵 ；注 塑机 ；能耗 中图分类号T H1 3 7 文献标志码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 5 4 1 1 3 3 Re s e a r c h o n C o n s t a n t P r e s s u r e a n d Va r i a b l e F l o w Hy d r a u l i c S y s t e m o f I n j e c t i o n M o l d i n g M a c h i n e L I AO H u i ，WA N G Q i n g l i n ，H U A N G C h o n g l i n 1 ． G u a n g d o n g U n i v e r s i t y o f P e t r o c h e m i c a | T e c h n o l o g y ， Ma o m i n g G u a n g d o n g 5 2 5 0 0 0，C h i n a ； 2 ． S h a n g q i u P o l i t e c h n i c a l C o l l e g e ，S h a n g q i u H e n a n 4 7 6 0 0 0 ，C h i n a A b s t r a c t L o w e n e r g y c o n s u m p t i o n i s a d e v e l o p me n t t r e n d o f h y d r a u l i c s y s t e m o f i n j e c t i o n mo l d i n g m a c h i n e ， w h i l e t h e s y s t e m e n e r g y c o n s u m p t i o n i s v e r y l a r g e f o r t h e i n j e c t i o n mo l d i n g m a c h i n e b a s e d o n h y d r a u l i c s y s t e m w i t h q u a n t i t a t i v e p u m p ． T h e w o r k i n g p r i n c i p l e s o f q u a n t i t a t i v e p u mp s u p p l y i n g o i l a n d c o n s t a n t p r e s s u r e v a ri a b l e fl o w h y d r a u l i c p u m p s u p p l y i n g o i l f o r i n j e c t i o n m o l d i n g m a c h i n e we r e i n t r o d u c e d ． T h e s i mu l a t i o n mo d e l o f t h e c o n s t a n t p r e s s u r e v a ri a b l e fl o w h y d r a u l i c p u mp o i l s u p p l y s y s t e m w a s e s t a b l i s h e d a n d i t s e n e r g y c o n s u m p t i o n p r o c e s s w a s a n a l y z e d t o r e a l i z e l o w e n e r g y c o n s u mp t i o n w o r k o f t h e i n j e c t i o n m o l d i n g m a c h i n e ． Ke y w o r d s C o n s t a n t p r e s s u r e a n d v a ri a b l e fl o w p u m p ； I n j e c t i o n mo l d i n g m a c h i n e ； E n e r g y c o n s u m p t i o n 液压系统是注塑机最常用的动力驱动系统。为 了保证注 塑机 各 阶段 的准确 动作 ，利用 比例 阀控 制 液压缸作为液压驱动系统 ，可得到较高的压力和流 量控制精 度 ，并且 目前 市场 上 注塑 机大 多 数均 采 取 这样一种控制方式 ，这种传统的比例阀控制液压缸 的液压驱动系统能量消耗 巨大 。 采取 比例 阀控 液压 系 统是 在 恒定 流 量情 况 下 对 系统参数进 行 控制 ，实现 液 压 系统 的位 移 和压 力 的 快速调整，其响应速度快。但是要保持恒定流量时， 油泵 电机 需要 定速 运 行 ，定 量泵 提供 的液压 油 在 高 压和大流量状态下会消耗大量的系统能量。为 了降 低注塑机运行过程 中的能耗，注塑机节能控制技术 一 直是该领域研究 的重点 。国 内的注塑 机液压 系 统将阀控 改为 泵控 ，即是 把 液压 注 塑机 液压 系 统 改 为伺服电 机或 变频 电机驱 动定 量 泵控 制 ，使 系统 在 不同的工况其流量输 出得到满足而不造成过多的浪 费 。但泵控方式不能解决油缸的低压高速运动或 者高压低速移动问题。如注塑机在大扭矩移动的快 速锁模和保压、射胶低速大扭矩移动等工艺中，伺服 定量泵的流量与压力控制难以有效地分解 ，使系统 的流量和压力难 以得到准确的控制，使系统控制不 能满 足工艺要求。 1 定量 泵注 塑机 目前 ，多数注塑机采取液压作为动力驱动系统， 属于液压传动注塑机。液压传动系统中由电机驱动 油泵进行供油，当泵的输出量不可改变时，油泵输出 量与转 速成 正 比 。根 据 注塑 成 型工 艺 ，其 注 塑 过 程可分为锁模 、射胶 、保压 、熔胶 、冷却 、开模 和顶 出等 。由于注塑保压和射胶 的需要，不 同注塑工 艺需要相应的流量和压力，注塑过程中液压驱动系 统是处 于压力 和流 量变化 的状 态 。因此 ，在不 同的工 序下 ，注塑系统需要对不同的流量和压力进行控制。 如在快速合模 时 ，液压泵输 出的油液是 低压力 、大流 量 ，如采取如 图 1 所示 的液压系统 ，需要将节流 阀打 开 以达到最大 的供油量 ；而在慢速 、高压合模 时需要 油液压力高 、流量小 ，此时，需要将节流 阀阀 口减 收稿 日期 2 0 1 4 一 O 1 0 3 基金项目广东省自然科学基金资助项 目 9 1 5 2 5 0 0 0 0 2 0 0 0 0 0 3 ；广东省科技基础条件建设资助项 目 2 0 1 3 B 0 6 0 5 0 0 0 5 6 作者简介廖辉 1 9 7 6 一 ，男 ，博士，讲师，研究方向为机电液智能控制。E - ma i l l i a o h u i g d 1 2 6 ． c o m。 l 1 4 机床与液压 第 4 3卷 小 ，以达到 减小 系 统供 油量 的 目的 ，系统 多余 的高 压油 液便通过溢流 阀流 回油箱 ，造成能量损失 。 F ． ． 一 图 1 注塑机定量泵供油系统 2 恒压 力变流量液压泵系统 为了减少定量泵在不需要大流量供给时造成的 能量损失 ， 目前 ，多采取容积式调速 ，即是对系统输 出流量进 行控 制 ，这 种 调控 方式 多采 取变 量 泵作 为 注塑机 的驱 动元 件。这 种调 控方 式对 于定 量 泵注 塑 机有 明显 的节 能效果 。如 图 2 ，该系统 由负载 敏感型 比例变量柱塞 泵 、比例溢流 阀 、比例调速 阀 、压力反 馈 阀 、流量反馈 阀等部分组 成。 图 2 变流量液压泵系统 变量泵在 电机 的驱动下 实 现流量 的控 制 ，并 在 此基础上增加压力调节环节，使供油系统可根据系 统需要输 出所 需要 的流量 ，并经 过压 力控 制环 节 对 泵输 出的压力 进行 调 节 ，实 现对 不 同流量 的恒定 压 力供油输 出。 考虑到恒压力变量泵反应的快速性，恒压供油 系统采用 比例 电磁 铁控 制 阀 ，其 中一端 与 阀刚 性连 接 ，通过控 制 比例 电磁 铁 的输 出力 控 制油 源 的输 出 压力，另一端与调压弹簧相连，利用调压弹簧调节 油源输 出压力大小 ，其结构如 图 2 所示 。 恒压力变量供油系统能够根据系统流量要求调 节泵源输出压力。当要求较小供油压力时，系统输 出相应的控制 电流 ，驱动电磁阀阀芯运动 ，此时 ，调 压弹簧的弹簧 力 和 电磁铁 输 出力 的合 力 小于 流 量控 制 阀控制油源 的液压力 ，阀芯右移 ，压力油进入活塞 左端，推动泵的变量机构，使变量泵的排量减小 ，输 出流量减小，从而降低泵源的工作压力。当流量控制 阀控制油源的压力等于电磁铁输 出力与弹簧力的合 力时，流量控制阀关闭，调压过程结束。当系统要求 供油压力增加 时 ，泵源输 出压力升 高。 由于注塑 机在 不 同 的工序 要 求得 到 不 同 的压 力 和流量 ，恒压力变量泵将两者结合起来 ，减小油 路中 的节流及 溢 流油 液 的损 失 ，从 而减 小 系统 的能 量 损 失 ，并可根 据压 力 和流 量 的要求 对 供油 压力 和流 量 进行精确 的控 制。系统如图 3 所示 。 变量 活 塞 复 位弹 ； 电 磁 铁 驱 动 器 图 3 恒压力 变量 泵结构 3 定量供油与恒压力变量供油系统耗能比较 在系统不需要供油时，大量的油液经过溢流阀 流 回油箱 ，浪 费了大量的能源。而调压型智能泵可根 据负载的大小对输出油源压力和流量进行调节 ，保证 液压油 的压力 和流量可满足负载 的需 要。为了研究这 两种供油方式 的压力及流量的关系 ，根据供 油原理图 1 和图2建立仿真模型。仿真模型如图4 所示。 图4 变流量泵供油系统仿真模型 根据注 塑机 工作 压力 的实 际情 况 ，设 定 注塑 泵 在进行工作 ，液压缸的直径为 3 5 m m，溢流阀设定压 力为 2 MP a ，负载为 4 0 0 0 N，其仿 真结果如 图 5 控令 力指● ● ] 控 一 第 4期 廖辉 等恒压变流量供油注塑机液压系统的研究 1 1 5 所示 4． 5 1． 5 0． 时 间， s 时 『司／ s 图5 定量泵供油系统压力与时间的关系 图 5 表 明 负 载出现周期性 变化时 ，系统的输 出 压力也随之变化，但在负载很小时，系统的压力只 能通 过溢流阀释放 掉。 当采取调压型智能泵对系统进行供油时，其输 出压力 如图 6 所示 。可以看 出 压力在各个 时间段均 是变化的，在开始阶段 0 ～ 2 s ，由于弹簧的存在， 使得系统供油压力有一个快速上升过程 ，到达最高 压力时，系统能量消耗下降，主要是 由于系统 的供 油输出减少 ，因此 ，系统能量消耗减小。 1 80 l 6O 80 60 40 20 ．20 0 l 0 20 30 40 5 0 时 间 图 6 变量泵供油系统功率的变化 4结论 采取定量泵和恒压力变量泵两种方案 的能耗对 比试验 表 明 恒压 力变 量 供油 是在 压 力满 足 使用 条 件 下对输 出的流量进 行控制 ，减少 了流量 的消耗 ，从 而使得 系统 的能 量 消耗 大 大减 少 ；而定量 泵 供 油 的 方式能耗较大，尤其是耗能较大的注塑机消耗大量 的能源 。恒压力变量泵 采用变 流量 控制 系统 的流量 ， 实现了驱动 功率 与 执行 机 构 自适应 匹 配控 制 ，消除 了溢流损耗 和节流损耗 。 参考文献 [ 1 ]宋春华． 高性能注塑机关键技术的研究 [ D] ． 成都 西南 交通大学， 2 0 0 9 ． [ 2 ]权龙， 李凤兰。 注塑机电液控制系统节能原理及最新技 术[ J ] ． 机床与液压 ， 1 9 9 9 5 6 - 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